(57)【要約】【課題】熱電素子を構成する入出力用電極で、外部との電気的接続を行うための部材とのはんだ接続を容易とする熱電素子を提供する。【解決手段】熱電素子１を構成する入出力用電極５のうち、外部との電気的接続を行うための部材が接続される部分に凹部を有し、凹部の底部に入出力用電極底部メタライズ層６を有しており、前記部材との位置合わせおよび、はんだ接続に対して精度と信頼性を高めた熱電素子とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ互いに向かい合う面に電極を有する一対の基板に挟持され、前記電極を介して交互に接合された柱状のＰ型電極材料と柱状のＮ型電極材料を有する熱電素子において、
前記一対の基板のうち第１の基板の第２の基板に向かい合う面に、入出力電極を有し、かつ前記入出力電極に凹部を有する熱電素子。
【請求項２】
前記凹部の底部がメタライズされている請求項１に記載の熱電素子。
【請求項３】
前記凹部に接続され、前記第２の基板の前記第１の基板と反対側の面より高い位置で外部との接続を行う電極パッドブロックを有する熱電素子。
【請求項４】
前記凹部に、外部との電気的接続を行うためのリード線を有する熱電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ゼーベック効果およびペルチェ効果を利用し、温度差による発電や電流を通電することにより冷却、加熱を行う熱電素子とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電素子は、電気伝導性を有する金属などからなる電極を介して、Ｐ型熱電材料とＮ型熱電材料とを接合し、ＰＮ接合対を形成することによって作製される。この熱電素子は、接合対間に温度差を与えることでゼーベック効果に基づく熱起電力を発生することから発電装置として、また、電流を通電することで発生するペルチェ効果による接合部の冷却と発熱を利用することにより冷却装置や精密温度制御装置としての用途がある。
【０００３】
一般に、熱電素子は、複数のＰＮ接合対が直列につながれた状態で構成されている。熱電素子を構成する柱状の熱電材料は、エレメントと呼ばれ、数百μｍから数ｍｍの直方体形状をとっている。このエレメントは、セラミックスをはじめとする電気絶縁性を有する基板で挟み込まれるように位置し、基板上に形成された電極で接合されることによりＰＮ接合対をなしている。接合は、はんだ材で行われるが、エレメントとはんだ材の間には、はんだ材の熱電材料への拡散を防ぐためにバリアメタルとして、ニッケル等のメタライズ層が形成されている。
【０００４】
このような熱電素子に対する電力の入出力は、熱電素子を構成する２枚の基板のうち、一方の基板に設けられた入出力用電極にリード線がはんだ付けされることにより行われるが、素子の薄型化・小型化や小さなパッケージへの封入等が行われるようになり、入出力用電極の形態も変化してきている。たとえば、半導体レーザパッケージに搭載する熱電素子では、熱電素子を構成する２枚のセラミックスのうち、一方の基板である下基板を大きくし、入出力電極を熱電素子本体の外側に引き出し、さらに、半導体レーザパッケージに設けられた電極との接続をワイヤーボンディングで行えるようにするために、入出力電極に電極パッドブロックを設けている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特許第３０８２１７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、熱電素子は、熱電効果の特性上、素子の性能に変化を与えずに薄型化・小型化が可能であることから、薄型化が進んでおり、下基板に設置されている入出力用電極にリード線を取り付ける場合、リード線やリード線を接続するためのはんだ材が、上基板の上面よりも高くなる、リード線の入出力用電極に対する位置合わせ精度が低下すると言う問題が生じていた。
さらに、下基板に設けられた入出力用電極に金属製の電極パッドブロックを設置する際、入出力用電極との間ではんだ付けを行う必要があるが、接合の際の振動や衝撃に加え、溶融したはんだの流動性やはんだ付け性を高めるためにしようするフラックスの沸騰等により、電極パッドブロックが移動してしまい、正確な位置に接合することが困難であった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
【０００７】
本発明に係る熱電素子は、電極が施されている２枚の基板に挟まれ、電極を介して電気的に交互に接合された柱状のＰ型熱電材料およびＮ型熱電材料とから構成されている熱電素子であって、前記２枚の基板のうち、第１の基板に入出力電極が設けられている熱電素子において、入出力電極に凹部を有することを特徴としている。
【０００８】
本発明では、それぞれ互いに向かい合う面に電極を有する一対の基板に挟持され、前記電極を介して交互に接合された柱状のＰ型電極材料と柱状のＮ型電極材料を有する熱電素子において、前記一対の基板のうち第１の基板の第２の基板に向かい合う面に、入出力電極を有し、かつ前記入出力電極に凹部を有する熱電素子を構成する。
【０００９】
この発明によれば、入出力用電極に凹部を有しているので、外部との電気的接続を行うリード線のはんだによる接合取り付けに対して、位置合わせを容易し、リード線の高さ方向に対する張り出しを抑制することができるようになり、さらに、電極パッドブロックをはんだ付けにより入出力用電極に取り付ける場合、凹部を利用することにより、正確な位置だしができることに加え、はんだ付け時におこる流動性やフラックス沸騰に伴うブロックの移動を防ぐことができる熱電素子を提供できる。
【００１０】
本発明に係る熱電素子は、入出力用電極の凹部のうち、底部がメタライズされていることを特徴としている。
【００１１】
この発明によれば、外部との電気的接続を行うリード線のはんだによる接合取り付けに対して、位置合わせを容易し、リード線の高さ方向に対する張り出しを抑制することができるだけでなく、底部がメタライズされているので電極との接触面全面での接続が可能となり、さらに、電極パッドブロックをはんだ付けにより入出力用電極に取り付ける場合、凹部を利用することにより、正確な位置だしができ、はんだ付け時におこる流動性やフラックス沸騰に伴うブロックの移動を防ぐことができると同時に底部がメタライズされているので電極との接触面全面での接続ができる熱電素子を提供できる。
本発明に係る熱電素子は、入出力用電極凹部に、電極パッドブロックが接続され、第１の基板に対して、入出力電極より高い位置での電力の入出力が可能であることを特徴としている。
【００１２】
この発明によれば、電極パッドブロックが、熱電素子の第１の基板に具備されている入出力電極の凹部に接続されているので、位置精度に優れている電極パッドブロックが取り付けられている熱電素子を提供できる。
【００１３】
本発明に係る熱電素子は、入出力用電極凹部に、外部と電気的接続を行うためのリード線が取り付けられていることを特徴としている。
【００１４】
この発明によれば、外部と電気的接続を行うためのリード線が熱電素子の第１の基板に具備されている入出力用電極の凹部に接続されているので、位置精度に優れ、リード線自体、および、接続に使用されるはんだによる高さ方向に対する張り出しを抑制したリード線付き熱電素子を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明に係る実施形態について、図１から図１０を参照して説明する。
本実施形態に係る熱電素子１は、図１に示すように、下基板２と上基板３が互いに向かい合う表面にＰＮ接合用電極４と入出力用電極５を具備し、入出力用電極５に、入出力用電極底部メタライズ層６を具備しており、バリアメタル層７が形成されているＰ型熱電エレメント８およびＮ型熱電エレメント９は、接合材であるはんだ１０によりＰＮ接合用電極４に接合されている。
【００１６】
次に、この熱電素子１の製造方法について説明する。
この熱電素子の製造方法は、基板を作製する工程と、板状の熱電材料表面にはんだバンプを形成する工程と、はんだバンプが形成された熱電材料を基板に接合する工程と、基板に接合された熱電材料のうち不要な部分の切断・除去を行い、熱電エレメントが接続された基板を工程と、Ｐ型熱電エレメントおよびＮ型熱電エレメントが各々、接続された基板を対向し、接続することにより熱電素子を組み立てる工程からなっている。
この熱電素子１の製造方法のうち下基板２および上基板３を作製する工程は、入出力用電極５に具備される入出力用電極底部メタライズ層６を形成する工程と、ＰＮ接合用電極４および入出力用電極５を形成する工程を備えている。
【００１７】
入出力用電極底部メタライズ層６を形成する工程では、図２（ａ）に示すように、アルミナ基板１１にスパッタリング法によりクロムと銅からなる導電層１２を形成し、次に図２（ｂ）に示すように、フォトレジストを塗布し、露光・現像を行うことにより所望とするパターンを有する第１のフォトレジスト層１３を形成し、次に、図２（ｃ）に示すように、フォトレジスト開口部に電気めっき法により第１の銅めっき層１４を形成し、次いで、第１のフォトレジスト層１３を剥離除去することにより、入出力用電極底部メタライズ層基本形状部１５を得る。
【００１８】
ＰＮ接合用電極４を形成する工程では、図３（ａ）に示すように、ＰＮ接合用電極４の外形形状および入出力用電極底部メタライズ層６の形状を決めるための第２フォトレジスト層１６をフォトレジストの塗布と露光・現像を行うことにより形成し、図３（ｂ）に示すように、電気めっき法により第２の銅めっき層１７を形成し、次いで、図３（ｃ）に示すように、第２のフォトレジスト層１６を剥離・除去する。次いで、導電層１２のうち、露出部をエッチングにより除去する。この際、第１の銅めっき層１４と第２の銅めっき層１７の一部も同時にエッチングされるため、若干の変化を生じるが、導電層１２の銅層との厚みが大きく異なるため、大きな問題とはならない。次に、第１の銅めっき層１４と第２の銅めっき層１９の表面のみに、無電解ニッケルめっきと無電解金めっきを順次施すことにより、図３（ｄ）に示すように、表面に金層が施されたＰＮ接合用電極１８および入出力用電極１９を具備した下基板２０を得る。同様に、表面に金層が施されたＰＮ接合用電極１８を具備した上基板２１を得る。入出力用電極１９は、入出力用電極底部メタライズ層２２を具備している、図３（ｅ）。
板状熱電材料表面にはんだバンプを形成する工程では、図４（ａ）に示すように板状熱電材料２３の両面に第３のフォトレジスト層２４を形成する。このフォトレジスト層２４には、ＰＮ接合用電極１８との位置が合い、かつ、熱電エレメントの断面形状・寸法を鑑みた形状・寸法を有する開口部が形成されている。フォトレジスト層２４の開口部には図４（ｂ）、（ｃ）に示すように、順次、電気めっき法により、ニッケルめっき層からなるバリアメタル層２５、はんだめっき層２６を形成し、次いで、図４（ｄ）に示すように、フォトレジスト層２４を剥離し、その後、図４（ｅ）に示すように、リフロー処理と呼ばれるはんだ加熱・溶融処理により、はんだめっき層２６を表面張力により、表面が概略球面状のはんだバンプ２７とする。
はんだバンプが形成された熱電材料を基板に接合する工程では、図５（ａ）に示すように板状Ｎ型熱電材料２８の表面に形成されたはんだバンプ２９のうち一方の面に形成されたはんだバンプ３１の表面にはんだ付け用フラックス３０を塗布したものをＰＮ接合用電極１８および入出力用電極１９を具備した下基板２０と位置合わせし、図５（ｂ）に示すようにこれを搭載し、次いで、これを加熱することによりはんだバンプ２９を溶融し、図５（ｃ）に示すように板状Ｎ型熱電材料２８とＰＮ接合用電極１８および入出力用電極１９を具備した下基板２０とは、ＰＮ接合用電極１８上で、はんだ３１を介して接合される。同様に、ＰＮ接合用電極１８を具備した上基板２１に対しては、図５（ａ）から（ｃ）に示した工程と同様の工程により、図７（ａ）にしめすような、先端にはんだバンプ２９が取り付いたＰ型熱電エレメント３５が接続された上基板３６を作製する。
基板に接合された熱電材料のうち不要な部分の切断・除去を行い、エレメントが接続された基板を工程では、図５（ｃ）において、下基板２１と板状Ｎ型熱電材料２８との間に存在する間隙を利用して、板状Ｎ型熱電材料２８のうち、はんだバンプ２９間不要な部分を、刃具等で切断・除去を行い、図６に示すように、先端にはんだバンプ２９が取り付いたＮ型熱電エレメント３２が接続された下基板３３を得る。同様に、上基板に対しては、先端にはんだバンプ２９が取り付いたＰ型熱電エレメント３５が接続された上基板３６を作製する。
Ｐ型エレメントおよびＮ型エレメントが各々、接続された基板を対向し、接続することにより熱電素子を組み立てる工程では、図７（ａ）に示したように、はんだバンプ２９の先端にフラックス３４を塗布した、Ｎ型熱電エレメント３２が接続された下基板３３とＰ型熱電エレメント３５が接続されている上基板３６を、対向・位置合わせし、加圧加熱することにより、はんだバンプ２９を溶融し、ＰＮ接合用電極１８上で接合を行うことで、熱電素子３７を作製し、洗浄することによりＰＮ接合用電極１８近傍に付着したフラックスを除去し、清浄化された状態の入出力用電極底部メタライズ層６を具備した熱電素子１が作製される。
【００１９】
次に、図８に示すように、熱電素子１の入出力用電極５に設けた入出力用電極底部メタライズ層６に表面に金めっきを施した電極パッドブロック３８をはんだ３９により接合することにより、外部との電気的接続を上基板３より高い位置で行うことができる熱電素子４０を作製することができる。
【００２０】
さらに、図９（ａ）、（ｂ）に示すように入出力用電極４１と入出力用電極底部メタライズ層４２の構造を一方で、開放しておくことにより、図１０（ａ）、（ｂ）に示すようにリード線４３のはんだ４４による取り付けを容易にすることができ、リード線の位置合わせ性、高さを抑えた熱電素子４５を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態に係る熱電素子の要部断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る熱電素子の製造方法のうち、入出力電極底部メタライズ層の形成に係る製造方法を示す説明図である。
【図３】本発明の実施形態に係る熱電素子の製造方法のうち、ＰＮ接合用電極および入出力用電極の形成に係る製造方法を示す説明図である。
【図４】本発明の実施形態に係る熱電素子の製造方法のうち、板状熱電材料表面へのはんだバンプの形成に係る製造方法を示す説明図である。
【図５】本発明の実施形態に係る熱電素子の製造方法のうち、はんだバンプが形成された熱電材料の基板への接合に係る製造方法を示す説明図である。
【図６】本発明の実施形態に係る熱電素子の製造方法のうち、基板に接合された熱電材料のうち不要な部分の切断・除去を行い、エレメントが接続された基板の形成に係る製造方法を示す説明図である。
【図７】本発明の実施形態に係る熱電素子の製造方法のうち、熱電素子の組み立てに係る製造方法を示す説明図である。
【図８】本発明の実施形態に係る熱電素子の要部断面図である。
【図９】本発明の実施形態に係る熱電素子の要部断面図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る熱電素子の要部断面図である。
【符号の説明】
【００２２】
１、３７、４０、４５  熱電素子
２、２０、３３  下基板
３、２１、３６  上基板
４，１８  ＰＮ接合用電極
５、１９、４１  入出力用電極
６、２２、４２  入出力用電極底部メタライズ層
７  バリアメタル層
８、３５  Ｐ型熱電エレメント
９、３２  Ｎ型熱電エレメント
１０、３１、３９、４４  はんだ
１１  アルミナ基板
１２  導電層
１３  第１のフォトレジスト層
１４  第１の銅めっき層
１５  入出力用電極底部メタライズ層基本形状部
１６  第２のフォトレジスト層
１７  第２の銅めっき層
２０  ＰＮ接合用電極１８および入出力用電極１９を具備した下基板
２１  ＰＮ接合用電極１８を具備した上基板
２３  板状熱電材料
２４  第３のフォトレジスト層
２５  バリアメタル層
２６  はんだめっき層
２７、２９  はんだバンプ
２８  板状Ｎ型熱電材料
３０、３４  フラックス
３３  Ｎ型熱電エレメント３２が接続された下基板
３６  Ｐ型熱電エレメント３５が接続された上基板
３８  電極パッドブロック
４３  リード線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010050151.tif 000009
【図８】
2010050151.tif 000010
【図９】
2010050151.tif 000011
【図１０】
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